CN104567954B - 微功率宽带光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适于微瓦及百纳瓦功率激光入射的宽带光电探测器，可用于激光谐振腔腔长边带锁频，工作状态锁定同时监测谐振腔模式。将微瓦及百纳瓦功率光信号转换成的光电流信号经跨阻前置放大转换为电压信号，再经过高频反相比例放大输出满足边带锁频系统所需要的信号，同时探测器具有直流信号输出，可监视入射光功率的大小及谐振腔的透射模式。该探测器包括PIN光电二极管，高频跨阻放大电路，高频反相比例放大电路，高频耦合电容，阻高频元件，取样电阻和低频直流放大电路。该光电探测器具有带宽宽、高灵敏度、响应快、高增益、低噪声、交直流同时监测、成本低等优点。可以很好用于激光谐振腔透射光微功率边带稳频、模式监视及工作状态锁定。

Description

微功率宽带光电探测器

技术领域

本发明涉及光电探测器，具体涉及量子光学实验中的光学谐振腔锁定系统中的光电探测器，具体是一种用于探测谐振腔输出光经高反镜的微弱透射光，并利用边带锁频稳频方法，可以很好的实现谐振腔的腔长及工作状态锁定的微功率宽带光电探测器。

背景技术

量子信息是当今世界一个重要的研究课题，利用量子纠缠完成的信息传递与处理，为人们提供了发展更安全的通信和更快速计算的途径。随着量子信息研究的深入发展，人们对压缩态光场的压缩度和纠缠态光场的纠缠度要求越来越高。而压缩态光场和纠缠态光场一般都是通过不同类型的光学参量谐振腔输出而得到。在实际实验系统中，为了使得光学参量振荡腔能连续稳定输出压缩态光场或者纠缠态光场，必须将光学参量振荡腔锁定在注入信号光的谐振频率上，锁定精度的高低对最终输出压缩态光场的压缩度或者纠缠态光场的纠缠度影响很大。为了获得高压缩度的压缩态光场或者高纠缠度的纠缠态光场，就必须实现光学参量谐振腔的高精度锁定。

用于产生压缩态及纠缠态光场的光学参量谐振腔一般都是通过边带锁频的办法实现谐振腔与注入光场的频率锁定。在边带锁频系统中，我们需要在激光上加载一个频率为10-80MHz左右的调制信号，并对谐振腔反射的信号进行探测解调获得锁定腔长长度的误差信号，然后将信号反馈回驱动光学谐振腔的压电陶瓷，实现谐振腔腔长的锁定。在以前的锁定系统中，为了获得较好的误差信号，一般将光学谐振腔的反射光测量后进行混频产生锁腔的误差信号，这时，虽然可以保证入射到光电探测器的信号光比较强（一般在毫瓦量级），但是此时产生的误差信号容易受到激光功率波动的影响，使得误差信号上下波动，降低了谐振腔锁定的精度。光学谐振腔的透射光功率一般在百微瓦量级，但是这些光是需要进行量子信息研究的，所以能用来锁定光学谐振腔的光只能是压缩态或者纠缠态光场在经过高反镜反射时从高反镜后面透射出的少量光束，其能量一般在微瓦量级或者百纳瓦量级，这就要求探测器必须对这个量级的光束有很好的响应，以产生锁定谐振腔腔长所需的误差信号。

在获得压缩态及纠缠态光场的产生系统中，除了要控制谐振腔的腔长外，我们还需要控制谐振腔泵浦光及注入信号光之间的相对位相。在以前的产生系统中，一般需要利用另外一个低频光电探测器提供误差信号，锁定泵浦光及注入信号光之间的相对位相，使得整个装置布局复杂，接线繁琐。

发明内容

本发明的目的在于针对光学谐振腔锁定问题提供一种具有高增益、高带宽、高信噪比的微功率宽带光电探测器，其可以很好实现在几百纳瓦到几微瓦光功率条件下对谐振腔的锁定。

本发明提供的微功率宽带光电探测器是采用如下技术方案实现的：一种微功率宽带光电探测器，包括PIN光电二极管，PIN光电二极管的正极分别连接有高频耦合电容和阻高频元件；高频耦合电容另一端连接有高频跨阻放大电路，高频跨阻放大电路的输出端连接有高频反相比例放大电路，高频反相比例放大电路的输出端作为AC端；阻高频元件的一端与PIN光电二极管的正极相连接，阻高频元件的另一端分别连接有低频直流放大电路和取样电阻，低频直流放大电路的另一端作为DC端；取样电阻的另一端接地；当光场入射到PIN光电二极管后，PIN光电二极管将光信号转换成相对应的光电流信号，光电流信号经高频耦合电容和阻高频元件分成高频信号和低频信号两部分；所述高频信号为频率范围>MHz的交流信号，所述低频信号为频率范围<MHz的低频直流信号；高频信号经高频耦合电容耦合，再经高频跨阻放大电路和高频反相比例放大电路放大，由AC端输出；低频直流信号经阻高频元件，并经取样电阻获得电压信号，再经低频直流放大电路放大，由DC端输出。

进一步的，所述PIN光电二极管采用加反偏电压后结电容小于5pF的光电二极管。所述的PIN光电二极管具有较小的结电容，而对量子效率要求不大，选择量子效率低的光电二极管可降低成本。

进一步的，所述的高频跨阻放大电路包括TI公司生产第一放大芯片OPA847；高频耦合电容接第一放大芯片OPA847的引脚2（反相输入端），第一放大芯片OPA847的引脚3顺次连接有串联的电容C4和磁珠bead2，第一放大芯片OPA847的引脚3还连接有电阻R2，磁珠bead2与R2均接地；第一放大芯片OPA847的引脚2与引脚6（输出端）之间连接有相串联的反馈电容C5和C6，引脚2与引脚6之间还连接有跨阻R5；第一放大芯片OPA847的引脚4和引脚7分别接经过旁路滤波和去耦的-5V、+5V电源。

进一步的，所述的高频反相比例放大电路包括一个TI公司产的第二放大芯片OPA847；高频跨阻放大电路的输出端连接有输入电阻R7，R7另一端接第二放大芯片OPA847的引脚2（反相输入端）；第二放大芯片OPA847引脚3（同相输入端）接与R7取值一样的电阻R9，R9另一端接地；第二放大芯片OPA847的引脚2和引脚6（输出端）之间连接有反馈电阻R11，引脚2和引脚6之间还连接有串联的反馈电容C7和C8，第二放大芯片OPA847的引脚6再接10nF电容C9和50Ω电阻50R输出。

进一步的，所述的阻高频元件由330uH电感、100u电感和磁珠Bead3串联组合而成。

进一步的，所述的低频直流放大电路包括低噪声低偏置放大芯片OP27，放大芯片OP27引脚3(同相输入端)连接有10KΩ电阻R4，R4电阻另一端接在取样电阻和阻高频元件之间，放大芯片OP27引脚2（反相输入端）连接有一个接地电阻R3，放大芯片OP27的引脚2与引脚6（输出端）之间连接有反馈电阻R6，引脚6分别连接接地电阻R8和输出电阻R10输出，放大芯片OP27引脚4、7分别接-15V、+15V经过旁路滤波的电源。

进一步的，所述各个电路均印刷在PCB板上， PCB板设计采用双面板并铺地，避免两面平行走线，在芯片下面及背面都不铺地，信号走线均宽为50mil，信号走线背面不铺地。

采用抗电磁干扰设计，将PCB板装在抗电磁屏蔽金属盒内，输出信号与BNC接口采用同轴线相连；并采用锂电池作电源供电，电源线用同轴线并尽量短。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：为了保证谐振腔的锁定效果，现有的光学谐振腔锁定技术一般采用边带锁频技术进行腔长的锁定。由于谐振腔锁定后能用来锁定谐振腔的光信号很小，为保证入射到探测器光信号功率的大小而产生合适的误差信号，一般都采用谐振腔的反射信号光来产生锁定所需要的误差信号。但是在这种情况下，如果谐振腔的入射光功率稍有波动，就会引起谐振腔反射光的功率波动，从而引起误差信号的漂移，造成谐振腔锁定精度的降低。还有一些采用APD雪崩二极管的高增益微功率探测器可以测量微瓦量级功率的光信号，但是雪崩二极管噪声大，而且需要较大的反偏电压，一般需要几十伏到几百伏，其倍增因子受温度和反偏电压影响较大，如果没有稳定的温度控制和稳定的电压，输出将不稳定，对谐振腔锁定有较大影响。

本发明正好弥补以上现有技术的不足之处，在增益和带宽上都取得很大进步，能够将微瓦及百纳瓦功率光信号转换成的光电流信号经跨阻前置放大转换为电压信号，再经过高频反相比例放大输出满足边带锁频系统所需要的信号，实现利用微弱透射光对谐振腔的锁定。而且本发明的探测器同时具有直流信号放大功能，可通过直流输出端监测光是否打进探测器，还可监视并匹配腔的模式，并且可用于谐振腔工作状态的锁定。与以前需要两套探测系统分别实现谐振腔腔长和工作状态锁定系统相比，也简化了相应的实验系统。

本发明具有带宽宽、高灵敏度、响应快、高增益、低噪声、交直流同时监测、成本低等优点。可以很好用于激光谐振腔透射光微功率边带稳频、模式监视及工作状态锁定。

附图说明

图 1 本发明所述微功率光电探测器的原理示意图。

图 2 本发明所述微功率光电探测器的核心电路图。

图 3 本发明应用于边带锁频稳频实验中的工作原理图。

图 4 加扫描信号，峰值光功率为2.2μW时鉴频曲线与谐振腔透射模式。

图 5 本发明所述的微功率光电探测器输出功率谱。

1-PIN光电二极管，2-高频跨阻放大电路，3-高频反相比例放大电路，4-低频直流放大电路、5-高频耦合电容，6-阻高频元件，7-取样电阻、8-腔锁定光学谐振腔所用的压电陶瓷，9-谐振腔输出光的导光镜，10-微功率宽带光电探测器，11-注入信号及泵浦光光路中的压电陶瓷，12-示波器，13-锁相放大器，14-高频信号源。

具体实施方式

图1 所示的是本发明所述的微瓦量级光功率宽带光电探测器，可用于激光微功率边带锁频稳频，位相锁定同时监测激光模式。具体是基于一种低噪声宽带放大芯片，将光电流信号经跨阻前置放大转换为电压信号，再经过高频反相比例放大。包括PIN光电二极管1，高频跨阻放大电路2，高频反相比例放大电路3，高频耦合电容5，阻高频元件6，取样电阻7和低频直流放大电路4。该光电探测器具有宽带、高灵敏度响应快、高增益、低噪声、交直流同时监测、成本低等优点。可以很好用于激光谐振腔透射光微功率边带锁频稳频、模式监视及谐振腔工作状态锁定。

本实施方式交流放大电路2、3所采用的芯片是一款低噪声、高增益带宽积放大芯片OPA847。PIN光电二极管1选用低结电容光电二极管。采用小结电容的光电二极管可以提高信噪比，防止电路振荡。交流一级放大采用跨阻放大，因为跨阻放大不但能满足较高的带宽，还可以降低交流电流信号的损耗，从而提高信噪比。由于实际电感存在寄生电容，阻高频元件6采用多电感和磁珠串联方式，这样可满足在较宽频率带上都具有较高的阻抗，并且抑制低频端引入噪声对信号的影响。对于取样电阻7，如果探测的光功率较强可以相对取小一点，反之取大一点，可取值12kΩ。

图2是本探测器的原理图。其中该电路采用正负15伏供电；Bead1是磁珠，其取值均为1kΩ@100MHz，C1、C均为旁路电容，L3为100uH电感，高频耦合电容C3为100pF。

在PCB板设计时，采用双面板并铺地，避免两面平行走线，在芯片下面及背面都不铺地，信号走线宽约50mil，信号走线背面不铺地。从而尽量避免寄生电容、分布电容和寄生电感的产生。信号线的分布电容会增加电路噪声而降低信噪比，寄生电容、分布电容和寄生电感都还可能使电路不稳定。

在实验中需要将高频信号通过电光调制器，将调制信号加载到光上，这就一般需要一个功率放大器，这样就会造成很强的电磁辐射。那探测器必须具有很强的抗电磁干扰能力，否则将会极大的影响探测器的信噪比。本发明采用抗EMI设计，将PCB装在抗电磁屏蔽金属盒内，输出信号与BNC接口采用同轴线相连；并采用锂电池作电源供电，电源线用同轴线并尽量短。如图5的Electric Noise的曲线，实验获得了较低的电子学噪声，并且在调制频率处的噪声功率很小，在测验中测量了未采用抗EMI设计的噪声功率，其曲线基本和有2.2μW光功率输入时的曲线相当，显然未经抗干扰处理的探测器不能用于实际实验中。

图3所示的是实验中边带锁频稳频和谐振腔工作状态锁定原理示意图。其中8为腔锁定光学谐振腔所用的压电陶瓷（谐振腔的输出镜粘附于其上面），通过改变电压可以改变压电陶瓷的长度，从而改变谐振腔的腔长；9为谐振腔输出光的导光镜，由于任何的损耗都会引起谐振腔输出压缩态光场及纠缠态光场压缩度的降低，本发明只利用其导光镜后透射的微弱光场来实现谐振腔腔长及工作状态的锁定；10为本发明所设计的微功率宽带光电探测器；11为注入信号及泵浦光光路中的压电陶瓷，用于锁定注入谐振腔信号光及泵浦光之间的相对位相，从而控制谐振腔的工作状态。实验中，高频信号源产生频率为46.75MHz正弦信号，并将其经位相调制器加载到基频光上。信号光经谐振腔输出后，经过9大部分反射用于压缩态光场及纠缠态光场测量及应用，极少部分透射光进入探测器。经微功率宽带光电探测器10处理后，得到高频信号和低频信号，分别从微功率宽带光电探测器的AC和DC端输出。

将AC信号与高频信号源14输出的另外一路信号在混频器MIX中混频，得到谐振腔锁定所需要的误差信号（鉴频信号），光学谐振腔透射峰及对应的鉴频信号曲线如图4所示。误差信号再经PID控制器进行控制，高压放大器HV放大后加载到腔体的压电陶瓷8上，就可以实现谐振腔腔长的锁定。

而DC端输出的低频信号，可以直接用示波器12监测谐振腔透射模式，如图4所示。同时，将其输入锁相放大器13获得误差信号，再经过另外一套PID控制器和高压放大器HV进行处理放大，并将处理后的控制信号加载到压电陶瓷11上，就可以实现谐振腔工作状态的锁定。

图4为给谐振腔加扫描信号得到的谐振腔透射模式及对应的谐振腔锁定误差信号（鉴频信号）。其峰值光功率为2.2μW。

图5是本发明光电探测器的输出功率谱。实验中将探测器的AC端接频谱分析仪，可观测到探测器的输出功率谱，图中为注入光功率分别为2.2μW，0.4μW时探测器输出的功率谱和探测器的电子学噪声。可以看出探测器带宽为80MHz左右。

Claims (8)

1.一种微功率宽带光电探测器，其特征在于，包括PIN光电二极管（1），PIN光电二极管（1）的正极分别连接有高频耦合电容（5）和阻高频元件（6）；高频耦合电容（5）另一端连接有高频跨阻放大电路（2），高频跨阻放大电路（2）的输出端连接有高频反相比例放大电路（3），高频反相比例放大电路（3）的输出端作为AC端；阻高频元件（6）的一端与PIN光电二极管（1）的正极相连接，阻高频元件（6）的另一端分别连接有低频直流放大电路（4）和取样电阻（7），低频直流放大电路（4）的另一端作为DC端；取样电阻（7）的另一端接地；当光场入射到PIN光电二极管（1）后，PIN光电二极管（1）将光信号转换成相对应的光电流信号，光电流信号经高频耦合电容（5）和阻高频元件（6）分成高频信号和低频信号两部分；所述高频信号为频率范围>MHz的交流信号，所述低频信号为频率范围<MHz的低频直流信号；高频信号经高频耦合电容（5）耦合，再经高频跨阻放大电路（2）和高频反相比例放大电路（3）放大，由AC端输出；低频直流信号经阻高频元件（6），并经取样电阻（7）获得电压信号，再经低频直流放大电路（4）放大，由DC端输出。

2.如权利要求1所述的微功率宽带光电探测器，其特征在于，所述PIN光电二极管（1）采用加反偏电压后结电容小于5pF的光电二极管。

3.如权利要求1或2所述的微功率宽带光电探测器，其特征在于，所述的高频跨阻放大电路（2）包括TI公司生产第一放大芯片OPA847；高频耦合电容（5）接第一放大芯片OPA847的引脚2，第一放大芯片OPA847的引脚3顺次连接有串联的电容C4和磁珠bead2，第一放大芯片OPA847的引脚3还连接有电阻R2，磁珠bead2与R2均接地；第一放大芯片OPA847的引脚2与引脚6之间连接有相串联的反馈电容C5和C6，引脚2与引脚6之间还连接有跨阻R5；第一放大芯片OPA847的引脚4和引脚7分别接经过旁路滤波和去耦的-5V、+5V电源。

4.如权利要求1或2所述的微功率宽带光电探测器，其特征在于，所述的高频反相比例放大电路（3）包括一个TI公司产的第二放大芯片OPA847；高频跨阻放大电路（2）的输出端连接有输入电阻R7，R7另一端接第二放大芯片OPA847的引脚2；第二放大芯片OPA847引脚3接与R7取值一样的电阻R9，R9另一端接地；第二放大芯片OPA847的引脚2和引脚6之间连接有反馈电阻R11，引脚2和引脚6之间还连接有串联的反馈电容C7和C8，第二放大芯片OPA847的引脚6再接10nF电容C9和50Ω电阻50R输出。

5.如权利要求1或2所述的微功率宽带光电探测器，其特征在于，所述的阻高频元件（6）由330uH电感、100uH电感和磁珠Bead3串联组合而成。

6.如权利要求1或2所述的微功率宽带光电探测器，其特征在于，所述的低频直流放大电路（4）包括低噪声低偏置放大芯片OP27，放大芯片OP27引脚3连接有10KΩ电阻R4，10KΩ电阻R4另一端接在取样电阻（7）和阻高频元件（6）之间，放大芯片OP27引脚2连接有一个接地电阻R3，放大芯片OP27的引脚2与引脚6之间连接有反馈电阻R6，引脚6分别连接接地电阻R8和输出电阻R10输出，放大芯片OP27引脚4、7分别接-15V、+15V经过旁路滤波的电源。

7.如权利要求1或2所述的微功率宽带光电探测器，其特征在于，所述各个电路均印刷在PCB板上， PCB板设计采用双面板并铺地，避免两面平行走线，在芯片下面及背面都不铺地，信号走线均宽为50mil，信号走线背面不铺地。

8.如权利要求7所述的微功率宽带光电探测器，其特征在于，采用抗电磁干扰设计，将PCB板装在抗电磁屏蔽金属盒内，输出信号与BNC接口采用同轴线相连；并采用锂电池作电源供电，电源线用同轴线。